Noir de carbone

Schéma de procédé de noir de carbone

Fabrication industrielle du noir de fumée ; illustration tirée des Leçons élémentaires de chimie (B.Bussard, H.Dubois), 1906.

Ouvrier d'une usine produisant du noir de carbone (Texas, début des années 1940).

Les principaux processus industriel de fabrication[3] sont :

1. la décomposition thermique (incluant la détonation)
   • de gaz naturel, produisant du noir thermique (thermal black) (particules de 150–500 nm de diamètre),
   • ou d'acétylène, produisant du noir d'acétylène (acetylene black) (particules de 35–70 nm de diamètre) ;
2. la combustion incomplète
   • d'hydrocarbures de goudron, produisant du noir de fumée (ou noir de lampe, ou lamp black) (particules de 50–100 nm de diamètre),
   • de gaz naturel, produisant du noir tunnel (channel black) (particules de 10–30 nm),
   • de gaz naturel ou d'huiles aromatiques, produisant du noir de fourneau (furnace black) (particules de 10–80 nm de diamètre).

Le procédé produisant du noir tunnel est le plus ancien ; les procédés produisant du noir thermique ou du noir de fourneau sont les plus utilisés aujourd'hui. Enfin, il existe un procédé plasma (plus récent)[9].

Les noirs de carbone du commerce sont purs à 97-99 %, le reste étant constitué de traces de composés aromatiques, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de soufre chimiquement liés au carbone[3].

Les résidus aromatiques présents dans le noir de carbone sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ; leur teneur est généralement inférieure à 1 000 ppm dans le noir de carbone de qualité industrielle ; ils sont souvent fortement liés au carbone et donc a priori peu solubles dans les liquides physiologiques[3].

Les analyses[10] ont mis en évidence les impuretés suivantes :

Le noir de carbone pose des problèmes sanitaires, notamment parce qu'inodore, et car « la « VEMP » (valeur d'exposition moyenne pondérée) de 3,5 mg/m3 peut facilement être atteinte en circulation routière[15] et en milieu de travail si des manipulations ou des opérations mécaniques génèrent un nuage de poudres ou de poussières. Cependant, la valeur de « DIVS » (Danger immédiat pour la vie ou la santé) de 1 750 mg/m3 (valeur qui représente 500 fois la VEMP) ne devrait pas être facilement atteinte en milieu de travail. De plus, étant potentiellement explosible, il n'y a pas seulement la VEMP et la valeur de DIVS qui doivent être considérées comme concentration dangereuse dans l'air en milieu de travail. En effet, il y a peu de données dans la documentation mais pour deux types de noir de carbone, la « LIE » (Limite inférieure d'explosivité) dans l'air est de 50 g/m3 (noir de fourneau) et 375 g/m3 (noir thermique) lorsque soumis à une source d'ignition hautement énergétique (> 1 kJ). Cette concentration représente plus de 50 000 fois la VEMP. Cependant, ce niveau de concentration et cette source d'ignition hautement énergétique sont rarement rencontrés en milieu de travail »[3].

Sa toxicité varie selon le diamètre et la quantité des particules en suspension dans l'air (l'inhalation est première voie de contamination)[3] :

• les particules de moins de 1 µm (micromètre) peuvent pénétrer profondément dans les alvéoles pulmonaires ;
• les particules de 1 à 5 µm sont normalement interceptées par le mucus de la trachée et des bronches, mais pénètrent jusqu'aux bronchioles ;
• les particules de 5 à 30 µm sont généralement stoppées dans le nez et la gorge ou le pharynx ;
• les très grosses particules (> 30 µm) ne pénètrent que rarement les voies respiratoires supérieures.

Le noir de carbone est un irritant mécanique pour les yeux et les voies respiratoires[3]. Chez le rat, en cas d'inhalation prolongée, il « entraînera une inflammation chronique et débalancera de façon irréversible la clairance pulmonaire provoquant une déposition de particules dans l'espace interstitiel des alvéoles »[3] ; ces effets n'ont pas été observés chez d'autres espèces de laboratoire (souris, hamsters, cochons d'Inde et singes). Ce dernier serait moins toxique que les suies ; comme pour toute poussière inorganique inerte, ou peu toxique et peu soluble, les effets fréquemment rapportés sont la toux, le phlegme et la bronchite chronique, lors d'exposition à de fortes concentrations. Des problèmes dermatologiques (incrustation de particules dans la peau) ont été rapportées à la suite de l'exposition de peau non protégée au noir de fumée.

Le noir de carbone est considéré par le CIRC comme « peut-être cancérogène pour l'homme » (première évaluation publié en 1996, confirmée en 2006). Les études américaines et européennes, incluant des études de cas-témoins et de cohortes, contenaient des preuves faibles et des résultats contradictoires donc insuffisants chez l'homme[3]. En laboratoire, seule le rat femelle s'y montre significativement plus sensible, avec « incidence accrue de tumeurs bénignes et malignes » (le dioxyde de titane et le talc non amiantiforme inhalé en forte quantité ont les mêmes effets). En injection sous-cutanée, un noir de carbone contenant des quantités détectables d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) a induit des sarcomes au site d'injection, contrairement aux études faites sans HAP détectables[3]. En 1996, l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) l'a désigné comme « non classifiable comme cancérogène pour l'homme »[3].

Les données épidémiologiques ou toxicologiques disponibles sont insuffisante pour évaluer un éventuel effet mutagène[3].

La ventilation (avec filtration si possible) ou le port d'un appareil de protection respiratoire (ex. : masque) permettent de réduire les risques pour la santé au travail[3]. Le noir de carbone pourrait agir en synergie avec d'autres polluants comme l'ozone troposphérique[16].

Cliché pris par la NASA en décembre 2009 montrant les particules de suie autour de la Terre.

Le noir de carbone (sous forme de suie) pourrait agir à la fois de façon directe et indirecte sur le climat ;

• directement, il pourrait être le deuxième responsable du réchauffement climatique après le dioxyde de carbone (CO₂)[17] - [18], mais son impact pourrait avoir été surestimé en raison de la présence conjointe de carbone brun[19] qui peut fausser les mesures d'absorption de l'infrarouge ;
• indirectement, le procédé furnace pourrait être responsable de l'émission annuelle de plus de 25 millions de tonnes de CO₂ (ainsi que d'autres polluants dont le CO, NOx, SH₂), avec un rendement de production médiocre (30 % environ, car la majorité du carbone contenu dans la matière première sert à apporter, par combustion, l’énergie nécessaire au craquage de la fraction restante. De plus, la production est limitée par la température de réaction du procédé : quand on augmente la quantité d’oxygène dans le milieu, la température augmente et le rendement final chute, car l'excès d’oxygène produit une réaction de combustion complète de l’hydrocarbure, qui aboutit seulement à produire du CO₂ et de l’eau[9]).

La durée de vie du noir de carbone dans l'air étant de l'ordre de quelques semaines, la réduction de ses émissions est peut-être la manière la plus rapide de ralentir le réchauffement climatique à court terme[20] - [21] - [22]. Les pays développés ont commencé à réduire leurs émissions de noir de carbone depuis les années cinquante en adoptant des mesures antipollution[23]. Aujourd'hui, la majorité du noir de carbone est issue des pays en développement[24] et cela devrait s'accroitre. Les plus grands contributeurs sont l'Asie, l'Amérique latine et l'Afrique[25]. La Chine et l'Inde sont responsables de 25 à 35 % des émissions mondiales[26]. Les États-Unis émettent 6,1 % du noir de carbone mondial.

Une alternative étudiée est le procédé plasma (craquage thermique d’hydrocarbures par plasma, résumé par la formule C_nH_m + énergie électrique → n C + m/2 H₂) ; ce procédé ne produit pas de CO₂ et produit de l'hydrogène valorisable, mais il consomme de l'électricité. Il sera « propre », si la source d'électricité est écologique[9].

Les données de 1996[27] sont :

• DL50 orale pour le rat : > 15,4 g·kg^-1
• DL50 cutanée pour le lapin : > 3 g·kg^-1